از زمانی که گرافن - یک ورقه کربن نازک با ضخامت فقط یک اتم - بیش از 15 سال پیش کشف شد، این ماده شگفت‌انگیز تبدیل به یک اسباب کار در تحقیقات علم مواد شد.
از این مجموعه کار، محققان دیگر دریافتند که برش گرافن در امتداد لبه شبکه لانه زنبوری آن، نوارهای گرافن زیگزاگ یا نانوروبان های یک بعدی با خواص مغناطیسی عجیب و غریب ایجاد می کند.
بسیاری از محققان به دنبال مهار رفتار مغناطیسی غیرمعمول نانوروبان‌ها در دستگاه‌های اسپینترونیک مبتنی بر کربن بوده‌اند که با رمزگذاری داده‌ها از طریق اسپین الکترون به‌جای بار، فناوری‌های ذخیره‌سازی داده‌ها و پردازش اطلاعات با سرعت بالا و کم مصرف را امکان‌پذیر می‌سازند. اما از آنجایی که نانوروبان‌های زیگزاگ بسیار واکنش‌پذیر هستند، محققان با نحوه مشاهده و هدایت ویژگی‌های عجیب و غریب آن‌ها در یک دستگاه واقعی دست و پنجه نرم کردند.
اکنون، همانطور که در شماره 22 دسامبر ژورنال Nature گزارش شده است، محققان آزمایشگاه ملی لارنس برکلی (آزمایشگاه برکلی) و دانشگاه کالیفرنیا برکلی روشی را برای تثبیت لبه‌های نانوروبان‌های گرافن و اندازه‌گیری مستقیم خواص مغناطیسی منحصربه‌فرد آن‌ها توسعه داده‌اند.
این تیم به سرپرستی فلیکس فیشر و استیون لویی، هر دو دانشمند دانشکده در بخش علوم مواد آزمایشگاه برکلی، دریافتند که با جایگزین کردن برخی از اتم‌های کربن در امتداد لبه‌های زیگزاگ نوار با اتم‌های نیتروژن، می‌توانند ساختار الکترونیکی محلی را بدون اختلال تنظیم کنند. ویژگی های مغناطیسی این تغییر ساختاری ظریف توسعه یک تکنیک میکروسکوپ کاوشگر روبشی را برای اندازه‌گیری مغناطیس موضعی ماده در مقیاس اتمی امکان‌پذیر ساخت.
لويي که همچنین استاد فیزیک در دانشگاه کالیفرنیا برکلی است، می‌گوید: «تلاش‌های قبلی برای تثبیت لبه زیگزاگ به‌طور اجتناب‌ناپذیر ساختار الکترونیکی لبه را تغییر داد. او افزود: «این معضل تلاش‌ها برای دستیابی به ساختار مغناطیسی آن‌ها را با تکنیک‌های تجربی محکوم کرده است و تاکنون کاوش‌های آن‌ها را به مدل‌های محاسباتی تنزل داده است».
فیشر و لویی با هدایت مدل‌های نظری، یک بلوک ساختمانی مولکولی سفارشی را طراحی کردند که دارای آرایشی از اتم‌های کربن و نیتروژن است که می‌تواند بر روی ساختار دقیق نانوروبان‌های گرافن زیگزاگ مورد نظر نقشه‌برداری شود.
برای ساختن نانوروبان‌ها، ابتدا بلوک‌های ساختمانی مولکولی کوچک بر روی یک سطح فلزی صاف یا بستر قرار می‌گیرند. در مرحله بعد، سطح به آرامی گرم می شود و دو دسته شیمیایی در دو انتهای هر مولکول فعال می شود. این مرحله فعال‌سازی یک پیوند شیمیایی را می‌شکند و یک «انتهای چسبنده» با واکنش‌پذیری بالا بر جای می‌گذارد.
هر بار که دو "انتهای چسبنده" به هم می رسند در حالی که مولکول های فعال شده روی سطح پخش می شوند، مولکول ها ترکیب می شوند و پیوندهای کربن-کربن جدیدی تشکیل می دهند. در نهایت، این فرآیند زنجیره‌های 1 بعدی بلوک‌های ساختمانی مولکولی را می‌سازد. در نهایت، مرحله گرمایش دوم، پیوندهای داخلی زنجیره را مجدداً تنظیم می کند تا یک نانوروبان گرافن با دو لبه زیگزاگ موازی تشکیل شود.
ریموند بلک ول، دانشجوی فارغ التحصیل در دانشگاه می گوید: "مزیت منحصر به فرد این فناوری مولکولی از پایین به بالا این است که هر ویژگی ساختاری نوار گرافن، مانند موقعیت دقیق اتم های نیتروژن، می تواند در بلوک ساختمان مولکولی رمزگذاری شود." گروه فیشر و یکی از نویسندگان مقاله به همراه فانگژو ژائو، دانشجوی فارغ التحصیل در گروه لویی.
فیشر، که همچنین استاد شیمی در دانشگاه کالیفرنیا برکلی است، می‌گوید: «ما به سرعت متوجه شدیم که نه تنها برای اندازه‌گیری، بلکه برای تعیین کمیت میدان مغناطیسی ناشی از حالت‌های لبه نانوروبان قطبی شده با اسپین، باید به دو مشکل دیگر نیز رسیدگی کنیم.
ابتدا، تیم باید نحوه جداسازی ساختار الکترونیکی روبان را از زیرلایه آن بیابد. فیشر این مشکل را با استفاده از نوک میکروسکوپ تونل زنی روبشی حل کرد تا پیوند بین نانوروبان گرافن و فلز زیرین را به طور غیرقابل برگشتی از بین ببرد.
چالش دوم توسعه یک تکنیک جدید برای اندازه گیری مستقیم یک میدان مغناطیسی در مقیاس نانومتر بود. خوشبختانه، محققان دریافتند که اتم های نیتروژن جایگزین شده در ساختار نانوروبان ها در واقع به عنوان حسگرهایی در مقیاس اتمی عمل می کنند.
اندازه‌گیری‌ها در موقعیت‌های اتم‌های نیتروژن ویژگی‌های مشخصه یک میدان مغناطیسی محلی را در امتداد لبه زیگزاگ نشان داد.
محاسبات انجام شده توسط Louie با استفاده از منابع محاسباتی در مرکز ملی محاسبات علمی تحقیقات انرژی NERSC پیش‌بینی‌های کمی از برهمکنش‌هایی را که از حالت‌های قطبی چرخشی لبه‌های نوارها ناشی می‌شوند، به دست آورد. اندازه‌گیری‌های میکروسکوپی نشانه‌های دقیق فعل و انفعالات مغناطیسی با آن پیش‌بینی‌ها مطابقت داشت و ویژگی‌های کوانتومی آن‌ها را تأیید کرد.
فیشر با اشاره به نسل بعدی دستگاه‌های نانو الکترونیکی که بر ویژگی‌های ذاتی الکترون‌ها تکیه می‌کنند، گفت: «کاوش و در نهایت توسعه ابزارهای آزمایشی که امکان مهندسی منطقی این لبه‌های مغناطیسی عجیب و غریب را فراهم می‌کنند، دری را به روی فرصت‌های بی‌سابقه‌ای برای اسپینترونیک مبتنی بر کربن باز می‌کند. کار آینده شامل کاوش پدیده‌های مرتبط با این ویژگی‌ها در معماری‌های گرافن زیگزاگ است که به صورت سفارشی طراحی شده‌اند.
های فن تک از شما دعوت می کند نظرات خود را در مورد این مقاله به اشتراک بگذارید